基于TMS320LF240x系列DSP的末制導(dǎo)雷達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡軍輝，孫 穎

（1.甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730070；2.中航工業(yè)蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730070）

基于TMS320LF240x系列DSP的末制導(dǎo)雷達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡軍輝1，孫 穎2

（1.甘肅長風(fēng)電子科技有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730070；2.中航工業(yè)蘭州萬里航空機(jī)電有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730070）

本文選用TMS320LF240x系列的TMS320LF2407A DSP芯片，采用典型數(shù)字PI調(diào)節(jié)算法，通過軟件編程實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代末制導(dǎo)雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)位置和速度回路的閉環(huán)調(diào)節(jié)。文中詳細(xì)闡述了末制導(dǎo)雷達(dá)數(shù)字控制系統(tǒng)的原理和組成，并給出了控制系統(tǒng)硬件接口連接圖和軟件結(jié)構(gòu)框架圖。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能全面，在雷達(dá)總體運(yùn)行測(cè)試過程中表現(xiàn)出了優(yōu)越的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

TMS320LF2407A；DSP；末制導(dǎo)；伺服控制

TMS320LF2407A是美國TI公司TMS320LF240x系列下的一種定點(diǎn)DSP芯片，其低成本、低功耗和高性能的處理能力，使得在工程實(shí)踐中大量用于電機(jī)運(yùn)動(dòng)的數(shù)字化控制。內(nèi)部集成的先進(jìn)外設(shè)讓基于TMS320LF2407A的數(shù)字伺服系統(tǒng)在硬件連接上極大地減少控制器的外圍電路，其高速的處理數(shù)據(jù)能力在滿足控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的同時(shí)，也使得基于現(xiàn)代控制理論的控制技術(shù)復(fù)雜算法得以實(shí)現(xiàn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)是末制導(dǎo)雷達(dá)的重要組成部分，伺服系統(tǒng)的靜態(tài)精度和動(dòng)態(tài)性能直接影響到雷達(dá)的測(cè)角精度和抗過載能力，它對(duì)于搜索目標(biāo)、截獲目標(biāo)和精確測(cè)量目標(biāo)位置以及其他指標(biāo)起著至關(guān)重要的作用。

末制導(dǎo)雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)的主要功能是：通過對(duì)雷達(dá)天線位置和速度信息的實(shí)時(shí)采樣，同時(shí)結(jié)合接收到的雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)發(fā)出的控制指令、裝定角度、跟蹤中心角及角誤差等信息共同解算完成對(duì)雷達(dá)天線位置和速度的精確控制。

雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)硬件主要由伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服控制電路和伺服驅(qū)動(dòng)電路組成。

伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：直流力矩電機(jī)，減速器以及位置、速度傳感器等。

伺服控制電路包括：天線位置信息采集模塊、天線速度信息采集模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、DSP數(shù)字信號(hào)處理模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊和串口通訊模塊等。控制電路元件主要組成有：一片高性能DSP電路；一片CPLD時(shí)序控制電路；天線角度信息的A/D轉(zhuǎn)換電路、天線速度信息A/D轉(zhuǎn)換電路和SCI串口通訊電路等等。

伺服驅(qū)動(dòng)電路包括：方位、俯仰模擬電流調(diào)節(jié)回路和方位、俯仰PWM功率放大電路。

系統(tǒng)硬件接口連接圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件接口連接圖

控制系統(tǒng)電路核心選用TMS320LF240x系列的TMS320LF2407A DSP芯片。DSP通過數(shù)字I/O口將A/D轉(zhuǎn)換后的實(shí)時(shí)天線位置和天線速度反饋信息采集回來，經(jīng)過軟件內(nèi)部數(shù)據(jù)處理和位置環(huán)、速度環(huán)經(jīng)典數(shù)字PI調(diào)節(jié)算法解算后得出PWM數(shù)字控制量，再經(jīng)由D/A轉(zhuǎn)換電路輸出至方位、俯仰驅(qū)動(dòng)電路，最后得到方位、俯仰兩支路的電機(jī)控制信號(hào)。

另外，設(shè)置SCI串行接口用于與雷達(dá)信號(hào)處理系統(tǒng)通訊，即DSP在進(jìn)行內(nèi)部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)算處理的同時(shí)，時(shí)刻響應(yīng)外部串口接收和發(fā)送中斷。伺服控制系統(tǒng)接收來自雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的工作狀態(tài)指令、裝定角度、跟蹤中心角及角誤差信息，同時(shí)又向信號(hào)處理機(jī)上報(bào)天線當(dāng)前位置、速度信息以及伺服工作狀態(tài)信息等。

DSP控制芯片數(shù)據(jù)流向，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向圖

輸入：方位/俯仰位置信息、方位/俯仰陀螺速度信息；

輸出：方位/俯仰電機(jī)驅(qū)動(dòng)、EEPROM存儲(chǔ)；

實(shí)時(shí)通訊：通過SCI串行通信接口與雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)互通傳輸。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件流程

末制導(dǎo)雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)采用數(shù)字控制伺服系統(tǒng)，信號(hào)采集、處理、運(yùn)算通過DSP及外圍器件完成，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框架圖如圖3所示。

圖3 伺服控制系統(tǒng)軟件框架圖

2.1.1 上電初始化

整個(gè)程序運(yùn)行的開始，包括系統(tǒng)設(shè)置初始化、定時(shí)器中斷初始化和SCI串口中斷初始化等。

2.1.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集

采集當(dāng)前天線方位、俯仰位置信息和方位、俯仰陀螺速度信息，校天線位置零偏和速度零偏值，并對(duì)采集數(shù)據(jù)做處理。

2.1.3 接收SCI串口數(shù)據(jù)

按照協(xié)議規(guī)定，判斷SCI串口數(shù)據(jù)的幀頭、數(shù)據(jù)長度及校驗(yàn)和，接收來自雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)的SCI串口數(shù)據(jù)信息。

2.1.4 系統(tǒng)自檢

對(duì)伺服控制系統(tǒng)的主要控制元件進(jìn)行自檢檢查。包括DSP芯片檢查，方位、俯仰位置反饋元件檢查及方位俯仰速度反饋元件檢查。

2.1.5 控制數(shù)據(jù)解算

伺服控制系統(tǒng)將采集到的位置、速度反饋數(shù)據(jù)結(jié)合信號(hào)處理機(jī)的控制數(shù)據(jù)一同進(jìn)行解算，將解算出的結(jié)果用于伺服系統(tǒng)的電機(jī)控制。

根據(jù)末制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)狀態(tài)要求，控制數(shù)據(jù)解算也可分解為不同子模式下系統(tǒng)控制量的解算輸出。例如：天線待機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)解算、角度裝定狀態(tài)數(shù)據(jù)解算、搜索狀態(tài)數(shù)據(jù)解算、跟蹤狀態(tài)數(shù)據(jù)解算和關(guān)機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)解算等等。

2.1.6 上報(bào)SCI串口數(shù)據(jù)

按照協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長度及數(shù)據(jù)格式，向雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)上報(bào)當(dāng)前天線位置、速度信息以及當(dāng)前伺服系統(tǒng)工作狀態(tài)信息。

2.1.7 指向/搜索/跟蹤模塊

根據(jù)雷達(dá)信號(hào)處理機(jī)工作狀態(tài)指令的不同，切換伺服系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式。

指向狀態(tài)——控制雷達(dá)天線指向并保持預(yù)定位置。

搜索狀態(tài)——控制雷達(dá)天線在某個(gè)范圍內(nèi)往返運(yùn)動(dòng)以搜索目標(biāo)。

跟蹤狀態(tài)——控制雷達(dá)天線指向信號(hào)處理機(jī)給定的跟蹤中心角并根據(jù)實(shí)時(shí)角誤差信息調(diào)整和修正天線位置。

2.1.8 輸出電壓解算模塊

結(jié)合系統(tǒng)硬件特性，將控制解算后的方位、俯仰給定值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得出不同符號(hào)的寫電壓信息，控制雷達(dá)天線方位、俯仰電機(jī)正/反轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2 數(shù)字算法

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器是一種線性控制器，也是自動(dòng)控制系統(tǒng)中最常用的一種數(shù)字控制器。將偏差的比例（P）、積分（I）通過線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行控制，故稱PI控制器。

伺服控制系統(tǒng)軟件算法通過典型數(shù)字PI控制實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用位置、速度和電流三閉環(huán)回路共同完成對(duì)雷達(dá)天線位置、速度的精確控制。位置環(huán)和速度環(huán)路采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)，電流環(huán)采用模擬方法實(shí)現(xiàn)。

數(shù)字PI調(diào)節(jié)器輸出：

u(k)——輸出函數(shù)；

uI(k-1)——上周期輸出；

KP——PI調(diào)節(jié)器比例放大系數(shù)；

KI——PI調(diào)節(jié)器積分時(shí)常數(shù)；

Tsam——采樣周期。

3 結(jié)論

本研究充分利用了TMS320LF2407A DSP芯片的高速運(yùn)算能力和其在自動(dòng)化數(shù)字控制方面的優(yōu)越性以及低成本、低功耗的優(yōu)點(diǎn)，在保證雷達(dá)伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的同時(shí)，有效的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔、緊湊，軟件流程更加清晰、明了。

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